陷波滤波器电路的设计细节

在这篇文章中，我们详细讨论了如何设计具有精确中心频率和最大影响的陷波滤波器。

什么地方使用陷波滤波器

陷波滤波器电路通常用于抑制、消除或消除特定的频率范围，以避免电路结构中令人讨厌或不想要的干扰。

它特别适用于灵敏的音频设备，如放大器，无线电接收机，其中需要通过简单的方法消除单个或选定数量的不需要的干扰频率。

在早期的几十年里，有源陷波滤波器被积极地用于放大器和音频应用，以消除50和60赫兹的哼声干扰。这些网络虽然从中心陷波频率(f0)调谐、平衡和一致性的角度来看有些笨拙。

随着现代高速放大器的引入，创建兼容的高速陷波器成为必要，它可以应用于处理高速陷波器频率滤波的高效率。

在这里，我们将尝试调查的可能性和相关的复杂性涉及制造高陷波滤波器。

可调50hz陷波滤波器应用电路

磁致hum干扰的频率为50Hz，而纹波hum的频率为100Hz。该电路可以处理两种类型的帮助下，一个开关，允许50Hz或100Hz的功能。该滤波器由两个晶体管级组成，每个级将信号延迟90°。在点X处，Q2和Q3的最大延迟为180°。

重要特征

在进入主题之前，让我们首先总结在设计提出的高速陷波滤波器时可能严格要求的重要特征。

1)图1模拟中显示的零深度陡度在实际中可能不可行，最有效的可达到结果可能不超过40或50dB。

2)因此，必须理解，需要改进的更重要的因素是中心频率和Q，设计者应该关注这个而不是切口的深度。在设计陷波滤波器时，主要的目标应该是对不需要的干扰频率的抑制水平，这必须是最佳的。

3）上述问题可以最佳地解析，更喜欢R和C组件的最佳值，该组件可以通过使用参考文献1中所示的RC计算器正确地实现，这可以用于适当地识别R0和C0特定的陷波滤波器设计应用。

以下数据将探索并有助于了解某些插入缺口滤波器的设计：

双t槽滤波器

图3所示的Twin-T滤波器结构看起来很有趣，因为它的性能很好，而且在设计中只使用了一个运放。

原理图

尽管上面所示的陷波滤波器电路具有合理有效，但由于它具有极端的简单性，因此它可能具有一定的不利感，如下所示：

该设计使用了6个精密组件的调谐，其中一对夫妇为达到其他的比率。如果这种并发症需要避免，电路可能需要包含8个额外的精度元件，例如R0/2 = 2nos的R0并行和2 into C0 = 2nos的C0并行。

双t拓扑不容易与单一电源一起工作，也不符合成熟的差分放大器。

由于RQ < < R0的必要性，电阻值的范围不断增加，这反过来又会影响所需中心频率的深度水平。

然而，即使有以上的麻烦，如果用户成功地优化了高质量的精确组件的设计，一个合理有效的过滤可以预期和实施的给定的应用程序。

飞行缺口过滤器

图4显示了flege Notch滤波器的设计，与Twin-T相比较，它有几个明显的优势，如下所述:

1）它采用RS和CS的形式采用了几个精度组件，以满足精确的中心频率调谐。

这个设计的一个值得注意的方面是，它允许组件和设置的轻微误差，而不影响凹槽点的深度，尽管中心频率可以相应地改变一点。

3)你会发现一对电阻负责确定离散的中心频率，其值可能不是非常关键

4）配置使得能够使用合理窄的范围设置中心频率，而不会影响凹口深度到显着水平。

然而，这种拓扑结构的缺点是它使用了两个放大器，但仍然不能用于差分放大器。

模拟结果

模拟最初是用最合适的运放版本完成的。真实的opamp版本很快被使用，产生的结果可与实验室检测的结果相媲美。

表1展示了用于图4中的原理图的组件值。在10兆赫或以上进行模拟似乎没有意义，主要是因为实验室测试本质上是作为启动进行的，1兆赫是需要应用陷波滤波器的主导频率。

关于电容器的一句话：尽管电容仅仅是用于仿真的“数量”，但实际电容器设计由独特的介电元件。

对于10 kHz，电阻值延伸义电容器的值为10 NF。虽然这在演示中正确地执行了诀窍，但它要求从NPO电介质到实验室中的X7R电介质调整，这导致凹口过滤器完全下降。

由于采用的10-nF电容器的规格在数值上接近，因此缺口深度的下降主要是由于不良的介质。电路被迫回到Q = 10的情况，R0使用3-MΩ。

对于真实的电路，最好使用NPO电容器。表1中的需求值在模拟和实验室开发中都被认为是一个很好的选择。

一开始，模拟在没有1-kΩ电位器的情况下进行(两个1-kΩ固定电阻是同步的，并与较低运放的非反相输入相关联)。

演示输出如图5所示。你会在图5中发现9个结果，但是你可能会发现每个Q值的波形在其他频率上重叠。

计算中心频率

任何情况下的中心频率适度高于10kHz，100kHz或1 MHz的结构目标。这可以像开发人员一样接近，可以通过接受的E96电阻和E12电容器获取。

想想使用100khz notch的情况:

f = 1 / 2π r0c0 = 1 / 2π x 1.58k x 1nF = 100.731 kHz

如所见，结果看起来略像标记，如果用标准的E24值电容对1nF电容进行修改，可以进一步简化，使其更接近要求的值，如下所示:

F = 1 / 2π
x 4.42k x 360 pF = 100.022 kHz，看起来好多了

在大多数情况下，使用E24版本的电容器可以带来更精确的中心频率，但在许多实验室中，以某种方式获得E24系列的数量可能是昂贵的(和不适当的)开销。

虽然在假设中评估E24电容值很方便，但在现实世界中，它们中的大多数几乎从未实现过，而且涉及到它们的运行时间也延长了。您将发现购买E24电容值时不那么复杂的首选项。

对图5的全面评估表明，缺口与中心频率的偏差不大。在较小的Q值，你可以发现指定的槽口频率仍然有相当大的抵消。

如果拒绝不令人满意，那么您可能想要调整陷波滤波器。

再次，考虑到100 kHz的情况，我们观察到在100 kHz左右的反应在图6中得到了扩展。

一旦1-kΩ电位器定位并以1%的增量调整，中心频率(100.731 kHz)左右的波形集合对应于滤波器反应。

每一次电位计调谐一半，陷波滤波器拒绝频率在精确的核心频率。

模拟凹口的程度实际上大约为95dB的顺序，但这根本不应该在物理实体中实现。

电位器的1％重新调整地放置了一个通常超过40 dB的凹口，直线在优选的频率上。

再次，这真的可能是最好的场景时，做理想的组件，然而实验室数据显示更准确的在较低的频率(10和100 kHz)。

图6表明，您需要在最开始使用R0和C0时获得更接近精确频率的频率。由于电位器可能能够校正频率在一个广泛的频谱，缺口的深度可以退化。

在一个适中的范围内(±1%)，可以达到100:1拒绝不良频率;然而，在一个增加的范围(±10%)，只有10:1排斥是可行的。

实验室结果

实施THS4032评估板以将图4的电路放在一起。

它实际上是一个通用的结构使用仅仅3跳线和traceto定型电路。

应用了表1中的组件数量，从那些可能产生1 MHz频率的组件开始。

该动机是在1 MHz的带宽/重速法规中寻找带宽/重速法规，并根据需要检查更实惠或更高的频率。

1兆赫的结果

图7表明您可以在1mhz下得到一些特定的带宽和/或旋转速率反应。Q值为100的反应波形显示出的只是一个波纹，其中缺口可能存在。

在10的Q中，仅存在10dB槽口，并且在1的Q处存在30dB槽口。

似乎陷波滤波器无法达到我们可能预期的高频率，尽管如此，THS4032只是一个100 mhz的设备。

很自然地，我们可以通过改进的单位增益带宽来预期组件的高级功能。单位增益稳定性是至关重要的，因为Fliege拓扑具有固定的单位增益。

当创建者希望精确地估算出在特定频率下一个缺口所必需的带宽时，一个正确的地方是在数据表中显示的增益/带宽组合，那应该是缺口中心频率的100倍。

增加Q值可能需要补充带宽。当Q被修改时，你可以找到缺口中心频率偏差的程度。

这与带通滤波器注意到的频率转移完全相同。

对于工作在100 kHz和10 kHz的陷波滤波器，频率转移更低，如图8所示，最终如图10所示。

100khz数据

表1中的部分数量随后被用于建立具有不同q值的100 khz陷波滤波器。

数据如图8所示。它看起来可直视晶体清晰，可行的陷波滤波器通常以100kHz的中心频率开发，尽管陷波深度恰好在Q的更大值下显着较低。

然而，请记住，这里列出的配置目标是100 khz而不是97 khz。

优选的部分值与模拟的恰好相同，因此陷波中心频率需要在100.731 kHz的技术上。然而，实验室设计中包含的组件阐述了影响。

1000-pF电容组合的平均值为1030pf, 1.58-kΩ电阻组合的平均值为1.583 kΩ。

任何时候使用这些值计算出中心频率，它达到97.14 kHz。尽管如此，具体的部分很难确定(这块板非常敏感)。

如果电容器是等效的，可能很容易通过一些传统的E96电阻值得到更高的结果，以达到更紧密的100 kHz。

毋庸置疑，这可能是大量生产中的替代品，其中10％电容器可能来自几乎任何包装，也可能来自不同的制造商。

中心频率的选择将根据R0和C0的公差，这是坏消息，在情况下，一个高Q缺口成为必要的。

有3种方法可以解决这个问题:

购买更高精度的电阻器和电容器;

最小化Q规格，满足较小的拒绝不希望的频率;或

微调电路(这是后来所设想的)。

现在，电路似乎是个性化的，以接收一个10的Q，和一个1-kΩ电位器集成调谐中心频率(如图4所示)。

在实际布局中，电位器的值应该比要求的范围多一点，以尽可能覆盖中心频率的全部范围，即使在R0和C0公差的最坏情况下。

这在这一点上还没有完成，因为这是一个分析潜力的例子，1 kΩ是实验室中最具竞争力的电位器质量。

当电路按照图9所示的100 kHz的中心频率进行调整和调谐时，缺口级别从32 dB降至14 dB。

请记住，通过提供更接近最佳合适值的初始f0，可以显著提高这个缺口的深度。

电位器的目的是专门在一个适中的中心频率区域上进行调整。

然而，5:1拒绝一个不希望的频率是可信的，并且对于许多使用来说是足够的。不可否认，更重要的程序需要更高精度的部件。

运算放大器带宽限制，其具有另外降低调谐的凹口幅度的能力，也可能负责停止陷波程度，从变得可行。考虑到这一点，电路再次调整为10 kHz的中心频率。

结果10 kHz

图10确定Q为10时的缺口谷已扩大到32 dB，这可能是您从模拟中预期的4%的中心频率(图6)。

opamp毫无疑问地减少了100 kHz的中心频率的凹口深度！32 dB槽口是40：1的取消，这可能合理体现。

因此，尽管部分零件设计了一个4%的误差，但在最需要的中心频率上，它很容易产生一个32分贝的缺口。

令人不愉快的消息是为了逃避Opamp带宽约束，可以用100MHz OPAMAM可以想象的最高可能的陷波频率约为10和100kHz。

当谈到notch滤波器时，“高速”被认为是真正的在数百赫兹左右。

10 khz缺口滤波器的一个极好的实际应用是AM(中波)接收器，在这种接收器中，来自相邻基站的载波会在音频中产生10 khz的响亮尖叫，尤其是在夜间。这肯定会激怒一个人的神经，而调谐是连续的。

图11显示了一个没有使用和使用10-kHz缺口的电台的拾取音频频谱。请注意，10千赫噪音是所接收音频中最大的部分(图11a)，尽管人类的耳朵基本上不太容易受到它的影响。

这段音频是在夜间在附近的一个接收站捕捉到的，该接收站两侧都有两个强大的接收站。联邦通信委员会的规定允许电台运营商有一定的差异。

因此，两个邻近站的载波频率中的适度陷阱可能使10-kHz噪声外累施，提高了令人讨厌的听力体验。

当采用陷波滤波器时(图11b)， 10khz的音调被最小化到与相邻调制相匹配的水平。此外，在音频频谱上可以观察到来自两个频道之外的电台的20khz载波和来自跨大西洋电台的16khz音调。

这些通常不是很大的关注，因为如果它们是由接收器大大衰减的那么。大约20kHz的频率可能在任何一种情况下都是绝大多数个体的不清楚。

引用:

http://www.ti.com/lit/an/snoa680/snoa680.pdf
http://www.ti.com/lit/an/sbfa012/sbfa012.pdf
http://www.ti.com/lit/an/slyt235/slyt235.pdf
https://en.wikipedia.org/wiki/Band-stop_filter